吳昊　呂淑然

(首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院,北京　100070)

金屬礦山利用采空區(qū)通風(fēng)的研究實踐

吳昊呂淑然

(首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院,北京100070)

本文針對壽王墳銅礦回風(fēng)井?dāng)嗝嫘?、線路長、阻力大以及礦井漏風(fēng)、短路風(fēng)流嚴(yán)重的問題，對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查，提出了利用采空區(qū)和回風(fēng)井并聯(lián)通風(fēng)的方案，并對利用采空區(qū)通風(fēng)的穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行了深入的研究，最后應(yīng)用了利用采空區(qū)和回風(fēng)井并聯(lián)回風(fēng)的通風(fēng)系統(tǒng),取得了良好的應(yīng)用效果。將采空區(qū)作為回風(fēng)通道的通風(fēng)系統(tǒng)對于具有穩(wěn)定采空區(qū)，且采空區(qū)透氣性良好的中小型金屬礦山有實際借鑒意義。

礦井通風(fēng)采空區(qū)回風(fēng)井

1　引言

礦井通風(fēng)是保障礦井安全的最主要手段之一。在礦井生產(chǎn)過程中，必須源源不斷地將地面空氣輸入到井下各個作業(yè)地點，以供給人員呼吸，并稀釋和排出井下各種有毒、有害氣體和礦塵，創(chuàng)造良好的礦內(nèi)工作環(huán)境，保障井下作業(yè)人員的身體健康和勞動安全。然而，隨著我國金屬礦山不斷向深部開采、礦井生產(chǎn)能力的增大，礦井通風(fēng)系統(tǒng)逐漸顯現(xiàn)出通風(fēng)線路長、回風(fēng)困難、漏風(fēng)嚴(yán)重等不利于安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)不合理的現(xiàn)象。河北省承德市壽王墳銅礦開采將近60年，由于一直沿用建井時設(shè)計的通風(fēng)系統(tǒng)，其回風(fēng)井?dāng)嗝嫘?、線路長，且回風(fēng)井與礦井采空區(qū)相連，導(dǎo)致礦井深部開采已出現(xiàn)供風(fēng)不足，回風(fēng)困難及漏風(fēng)、風(fēng)流短路等現(xiàn)象發(fā)生，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)以及井下作業(yè)人員的身體健康，亟待對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造。

鑒于上述情況，本文對礦山通風(fēng)系統(tǒng)狀況進(jìn)行了詳細(xì)的測定、分析，基于礦井上部采空區(qū)透氣性良好、較為穩(wěn)固的特點，在礦山還沒有改造或開鑿回風(fēng)井的情況下，研究并建立起了利用采空區(qū)實現(xiàn)輔助回風(fēng)的通風(fēng)系統(tǒng)，增大了總回風(fēng)通道斷面、減少了漏風(fēng)及短路風(fēng)流，徹底解決了礦井總風(fēng)量不足的問題，獲得了良好的應(yīng)用效果。

2　原通風(fēng)系統(tǒng)及存在的問題

2.1原通風(fēng)系統(tǒng)

礦井原通風(fēng)系統(tǒng)（如圖1所示）主要由西部7線副井、平硐進(jìn)風(fēng)，東部小北溝回風(fēng)井回風(fēng)，形成單翼對角式通風(fēng)系統(tǒng)。其中小北溝風(fēng)井地表安裝型號為K 54—4—No15的風(fēng)機(jī)一臺，風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率為90Kw，下五回風(fēng)井入口處安裝型號為K 45—6—No13的風(fēng)機(jī)一臺，風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率為30Kw。

礦井通風(fēng)系統(tǒng)原設(shè)計欲使新鮮風(fēng)流從平硐、7線副井、27線風(fēng)井、盲主井進(jìn)入井下，經(jīng)過各個中段進(jìn)入工作面將作業(yè)產(chǎn)生的粉塵、炮煙、熱量和水分帶走，從東部小北溝回風(fēng)井排出。礦井已開拓至下十一中段(段高為50m)，井深達(dá)720m。現(xiàn)階段采用有底柱分段崩落法采礦，分段高度為25m，工作面集中于深部下七中段至下十中段。

2.2存在的問題

通過對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)查分析表明，礦井通風(fēng)系統(tǒng)主要存在著以下問題:

（1）通風(fēng)系統(tǒng)原設(shè)計不合理。礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計時沒有考慮到增產(chǎn)后以及深部開采時的通風(fēng)狀況，同時，設(shè)計風(fēng)量也偏?。?0m3/ s）。經(jīng)過實際測量礦井有效風(fēng)量為22m3/s，而計算表明，礦井總風(fēng)量必須達(dá)到60m3/s左右的風(fēng)量才能滿足井下排除炮煙、粉塵和熱濕的要求。

圖1　原通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

圖2　采空區(qū)與原通風(fēng)系統(tǒng)空間關(guān)系示意圖

圖3　新通風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)方式示意圖

圖4　新通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

（2）通風(fēng)系統(tǒng)原設(shè)計回風(fēng)井?dāng)嗝孢^小(4m2)，且總回風(fēng)段通風(fēng)線路過長（720m）。由于斷面小、回風(fēng)線路長、導(dǎo)致礦井總回風(fēng)段通風(fēng)阻力過大，加之總回風(fēng)井維護(hù)狀況不佳，使得原有風(fēng)機(jī)與通風(fēng)系統(tǒng)不匹配、效率低下，難以滿足全礦排炮煙、排塵和排熱所需的風(fēng)量。通過開啟局扇增加風(fēng)量，實質(zhì)上是加劇局部循環(huán)風(fēng)，并未增加礦井總進(jìn)風(fēng)量。

（3）總回風(fēng)井與下五以上中段采空區(qū)多處連通。由于礦井下五中段以上大量采空區(qū)與總回風(fēng)井連通，且采空區(qū)連通地表，導(dǎo)致總回風(fēng)段漏風(fēng)、短路風(fēng)流嚴(yán)重，地表新鮮風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)直接從總回風(fēng)井排出。

3　新通風(fēng)系統(tǒng)方案的確定與建立

3.1利用采空區(qū)確立新的通風(fēng)系統(tǒng)方案

針對礦井原通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，對井下生產(chǎn)情況和通風(fēng)狀況進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查。原通風(fēng)系統(tǒng)的總回風(fēng)井只有4m2斷面，且總回風(fēng)井長720m，難以排出礦井實際所需風(fēng)量，即使更換主要通風(fēng)機(jī)，也很難找到能與通風(fēng)系統(tǒng)匹配的風(fēng)機(jī)，必須開掘新的回風(fēng)通道，然而開掘新的回風(fēng)井投資成本過高，且建井周期過長。由于礦山開采已經(jīng)進(jìn)入后期，根據(jù)礦山的實際情況，提出了利用采空區(qū)作為回風(fēng)通道的通風(fēng)優(yōu)化方案。

利用采空區(qū)作為回風(fēng)通道，必須保證采空區(qū)的穩(wěn)定性和透氣性。經(jīng)實測，如圖2所示，下五中段風(fēng)機(jī)通過風(fēng)量為26m3/s，小北溝風(fēng)機(jī)通過風(fēng)量為38m3/s，因此采空區(qū)短路風(fēng)流為12m3/s，采空區(qū)透氣性較好。根據(jù)所測的通風(fēng)數(shù)據(jù)，計算采空區(qū)的通風(fēng)能力，得到采空區(qū)大致相當(dāng)于一條斷面為3.5m2，長度為370m，摩擦阻力系數(shù)為0.03kg/m3，連通地面和下四中段的風(fēng)井。礦井上部采空區(qū)多為房柱采礦法形成，礦石無自燃發(fā)火傾向，采空區(qū)上盤巖石多數(shù)為蝕變花崗巖或矽卡巖，少數(shù)為白云質(zhì)大理巖;下盤巖石與上盤相反，多數(shù)為白云質(zhì)大理巖，少數(shù)為花崗閃長巖或矽卡巖。上下盤巖石屬穩(wěn)定——極穩(wěn)定，節(jié)理、裂隙不發(fā)育，沒有大型斷裂穿過采場。礦井開采至今形成的空區(qū)無明顯的塌落現(xiàn)象。因此，利用采空區(qū)作為回風(fēng)通道的方案完全可行。

優(yōu)化設(shè)計充分利用采空區(qū)這一資源，采用了將回風(fēng)井與采空區(qū)作為整體回風(fēng)區(qū)域增大回風(fēng)斷面積，進(jìn)行并聯(lián)回風(fēng)的方案。方案具體措施如下:

（1）拆除下五中段與下四中段51線風(fēng)井的密閉，拆除小北溝風(fēng)機(jī)，使下五中段和采空區(qū)相連形成整體的回風(fēng)區(qū)域。

（2）密閉下五中段與下六中段之間的55線風(fēng)井，并在下六中段通往下五中段的51線風(fēng)井處選擇合適位置安裝DK 45-6-No18風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率為160Kw，風(fēng)機(jī)葉片安裝角度為40°/35°。

（3）拆除下四中段與下五中段41線風(fēng)井的密閉，并密閉下四中段41線以東，下五中段41線以西，拆除下五中段與下六中段45線風(fēng)井密閉，使下二、下三、下四中段污風(fēng)流經(jīng)下五中段和下六中段45線，通過下六中段風(fēng)機(jī)，最后經(jīng)采空區(qū)及回風(fēng)井排出。

（3）在下五中段、下六中段之間設(shè)立了隔離層，將采空區(qū)與下部采場分開，防止漏風(fēng)。下部采場的污風(fēng)也由采空區(qū)和回風(fēng)井排出。

3.2新通風(fēng)系統(tǒng)形成后的通風(fēng)效果

新通風(fēng)系統(tǒng)建立后，采空區(qū)與回風(fēng)井形成如圖3所示的并聯(lián)回風(fēng)方式，礦井通風(fēng)系統(tǒng)形成如圖4所示的單翼對角式通風(fēng)系統(tǒng)，全礦井下通風(fēng)效果得到明顯的改善:

（1）新通風(fēng)系統(tǒng)增大了礦井總風(fēng)量，降低了礦井總風(fēng)阻，減少了礦井漏風(fēng)、短路風(fēng)流及污風(fēng)循環(huán)，風(fēng)流風(fēng)向也得到了穩(wěn)定的控制。經(jīng)過實測，礦井總風(fēng)量達(dá)到了63m3/s以上，礦井的有效風(fēng)量率達(dá)到了80%以上，風(fēng)機(jī)效率達(dá)到了83%。

（2）新通風(fēng)系統(tǒng)解決了原系統(tǒng)無法稀釋井下柴油設(shè)備尾氣和粉塵污染的問題;采場大規(guī)模爆破后，炮煙能很快的排出，提高了生產(chǎn)效率;作業(yè)面溫度降到了28℃以下，進(jìn)風(fēng)區(qū)域和工作區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了穩(wěn)定的入風(fēng)，空氣干燥，再不受熱濕的影響，避免了電器設(shè)備、管道等的腐蝕破壞;徹底改善了井下作業(yè)環(huán)境。

（3）經(jīng)測試，礦井反風(fēng)系統(tǒng)能在6m in內(nèi)改變礦井所有巷道的風(fēng)流方向，并且主要通風(fēng)機(jī)的供給風(fēng)量為55m3/s，為正常風(fēng)量的87%。

（4）新通風(fēng)系統(tǒng)建立后，大量減少了井下的局部通風(fēng)機(jī)，降低了通風(fēng)能耗，與舊通風(fēng)系統(tǒng)對比，節(jié)約了風(fēng)機(jī)運行所需的電能約24× 84kw·h/a。

4　結(jié)語

壽王墳銅礦新通風(fēng)系統(tǒng)的建立，徹底改善了井下的通風(fēng)安全狀況，解決了礦井通風(fēng)阻力大、風(fēng)量不足、漏風(fēng)、風(fēng)流短路和風(fēng)流不穩(wěn)的問題，為礦山創(chuàng)造出了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。

通過本次通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造的實踐可以體會到，通常采礦形成的采空區(qū)在條件允許的情況下不失為一種可以利用的通風(fēng)資源，只要利用的恰當(dāng)也將會創(chuàng)造出可觀的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。將采空區(qū)作為回風(fēng)通道的通風(fēng)系統(tǒng)對于具有穩(wěn)定采空區(qū)，且采空區(qū)透氣性良好的中小型金屬礦山有實際借鑒意義。

[1]王英敏.礦井通風(fēng)與防塵[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1 993．

[2]何茂才.金屬礦山礦井通風(fēng)系統(tǒng)分析與設(shè)計[J].有色冶金設(shè)計與研究,201 0(1):4-6．

[3]鄔長福,田美智,李樂農(nóng).某銅礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案[J].有色金屬科學(xué)與工程,2011(4) :34-38．

[4]鮑俠杰.豐山銅礦礦井通風(fēng)優(yōu)化技術(shù)研究[J].湖南有色金屬,2004, 20(6):1-3．

[5]袁昌明.某礦通風(fēng)系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2004 (1 2):28-31．

[6]王海寧,吳超.礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化軟件及其應(yīng)用[J].金屬礦山,2004 (7):62-64．

[7]陶樹銀,熊正明,程哲,等.金屬礦山礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2012,32(2):58-60．

[8]馬驪.淺析礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2009 (4):1 88-1 90．

[9]李金恩.大紅山鐵礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化及效果分析[J].現(xiàn)代礦業(yè),2009 (6):1 05-1 07．

[10]吳冷峻.冬瓜山采場通風(fēng)優(yōu)化與管理[J].礦業(yè)快報,2004(4):15-17．

[1 1]王政,孫益建.垞城礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造[J].能源技術(shù)與管理, 2009(2):70-71．

The paper aim at sectional area of return air shaft is small, long ventilating lines, large ventilation resistance, merry shorted and air leakage of ShouW angFen Copper m ine. Conduct a survey of the ventilation system, proposed programs which utilize goaf and return air shaft parallel ventilation, and research the stability of the utilizing goaf ventilated and security in-depth, and finally get a good effect. There is an actual reference significance for metal mines which have a stable and good permeability goaf that the ventilation system which utilize goaf as a return air path.

m ine ventilation;goaf;return air shaft